Когда два или более атома вступают в химические связи друг с другом, возникают молекулы. При этом не имеет значения, являются ли эти атомы одинаковыми или они вовсе отличаются друг от друга как по форме, так и по своему размеру. Мы с вами разберемся, какова величина молекул и от чего это зависит.
Что такое молекулы?
На протяжении тысячелетий ученые размышляли о тайне жизни, о том, что именно происходит при ее зарождении. Согласно самым древним культурам, жизнь и все-все в этом мире состоит из основных элементов природы - земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако со временем многие философы начали выдвигать идею, что все вещи состоят из крошечных, неделимых вещей, которые не могут быть созданы и уничтожены.
Однако только после появления атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые в совокупности, породили основные строительные блоки всех вещей. Так появился термин, который в контексте современной теории частиц относится к мельчайшим единицам массы.
По своему классическому определению, молекула - это наименьшая частица вещества, которая помогает сохранять его химические и физические свойства. Она состоит из двух или более атомов, а также групп одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.
Какова величина молекул? В 5 классе природоведение (школьный предмет) дает лишь общее представление о размерах и формах, более подробно этот вопрос изучается в старших классах на уроках химии.
Примеры молекул
Молекулы могут быть простыми или сложными. Вот некоторые примеры:
- H 2 O (вода);
- N 2 (азот);
- O 3 (озон);
- CaO (оксид кальция);
- C 6 H 12 O 6 (глюкоза).
Молекулы, состоящие из двух или более элементов, называются соединениями. Так, вода, оксид кальция и глюкоза являются составными. Не все соединения являются молекулами, но все молекулы являются соединениями. Насколько большими они могут быть? Какова величина молекулы? Известен тот факт, что почти все вокруг нас состоит из атомов (кроме света и звука). Их общий вес и будет составлять массу молекулы.
Молекулярная масса
Говоря о том, какова величина молекул, большинство ученых отталкиваются от молекулярной массы. Это общий вес всех входящих в нее атомов:
- Вода, состоящая из двух атомов водорода (имеющих по одной единице атомной массы) и одного атома кислорода (16 единиц атомной массы), имеет молекулярный вес 18 (точнее, 18,01528).
- Глюкоза имеет молекулярную массу 180.
- ДНК, которая является очень длинной, может иметь молекулярную массу, которая составляет около 1010 (приблизительный вес одной человеческой хромосомы).
Измерение в нанометрах
В дополнение к массе мы также можем измерить, какова величина молекул в нанометрах. Единица воды составляет около 0,27 Нм в поперечнике. ДНК достигает 2 Нм в поперечнике и может растягиваться до нескольких метров в длину. Трудно себе представить, как такие размеры могут умещаться в одной клетке. Соотношение длины и толщины ДНК удивительно. Оно составляет 1/100 000 000, это как человеческий волос с длиной в футбольное поле.
Формы и размеры
Какова величина молекул? Они бывают разных форм и размеров. Вода и углекислый газ при этом являются одними из самых маленьких, белки - одними из самых больших. Молекулы - это элементы, состоящие из атомов, которые связаны друг с другом. Понимание внешнего вида молекул традиционно является частью химии. Помимо их непостижимо странного химического поведения, одной из важных характеристик молекул является их размер.
Где может быть особенно полезным знание о том, какова величина молекул? Ответ на этот и многие другие вопросы помогает в сфере нанотехнологий, так как концепция нанороботов и интеллектуальных материалов обязательно имеет дело с эффектами молекулярных размеров и форм.
Какова величина молекул?
В 5 классе природоведение по этой теме дает только общую информацию, что все молекулы состоят из атомов, которые находятся в постоянном беспорядочном движении. В старших классах можно уже увидеть структурные формулы в учебниках химии, которые напоминают действительную форму молекул. Однако невозможно измерить их длину с помощью обычной линейки, а чтобы это сделать, нужно знать, что молекулы представляют собой трехмерные объекты. Их изображение на бумаге является проекцией на двумерную плоскость. Длина молекулы изменяется с помощью связей длин ее углов. Существуют три основных:
- Угол тетраэдра 109°, когда все связи этого атома со всеми другими атомами являются одинарными (только одно тире).
- Угол шестиугольника 120°, когда один атом имеет одну двойную связь с другим атомом.
- Угол линии 180°, когда атом имеет либо две двойные связи, либо одну тройную с другим атомом.
Реальные углы часто отличаются от этих углов, так как необходимо учитывать целый ряд разнообразных эффектов, в том числе электростатические взаимодействия.
Как представить себе размер молекул: примеры
Какова величина молекул? В 5 классе ответы на этот вопрос, как мы уже говорили, носят общий характер. Школьники знают, что размер названных соединений очень маленький. Вот, например, если превратить молекулу песка в одной единственной песчинке в целую песчинку, то под получившейся массой можно было бы спрятать дом в пять этажей. Какова величина молекул? Краткий ответ, которой также является и более научным, имеет следующий вид.
Молекулярная масса приравнивается к отношению массы всего вещества к количеству молекул в веществе или отношению молярной массы к постоянной Авогадро. Единицей измерения является килограмм. В среднем молекулярная масса составляет 10 -23 -10 -26 кг. Возьмем, например, воду. Ее молекулярная масса будет 3 х 10 -26 кг.
Как размер молекулы влияет на силы притяжения?
Ответственной за притяжение между молекулами является электромагнитная сила, которая проявляется через притяжение противоположных и отталкивание подобных зарядов. Электростатическая сила, которая существует между противоположными зарядами, доминирует во взаимодействиях между атомами и между молекулами. Гравитационная сила настолько мала в этом случае, что ею можно пренебречь.
При этом размер молекулы влияет на силу притяжения через электронное облако случайных искажений, возникающих при распределении электронов молекулы. В случае неполярных частиц, проявляющих только слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия или дисперсионные силы, размер молекул оказывает прямое влияние на величину электронного облака, окружающего указанную молекулу. Чем она больше, тем больше и заряженное поле, которое ее окружает.
Большее электронное облако означает, что между соседними молекулами может происходить больше электронных взаимодействий. В результате одна часть молекулы развивает временный положительный частичный заряд, а другая - отрицательный. Когда это происходит, молекула может поляризовать электронное облако у соседней. Притяжение происходит потому, что частичная положительная сторона одной молекулы притягивается к частичной отрицательной стороне другой.
Заключение
Итак, какова величина молекул? В природоведении, как мы выяснили, можно найти лишь образное представление о массе и размерах этих мельчайших частиц. Но мы знаем, что есть простые и сложные соединения. И ко вторым можно отнести такое понятие, как макромолекула. Это очень большая единица, например белок, которая обычно создается путем полимеризации меньших субъединиц (мономеров). Они обычно состоят из тысяч атомов или более.
Из которых состоит молекула, и найдите их относительные атомные массы в периодической системе химических элементов. Если один атом встречается в n раз, умножьте его массу на это число. Затем сложите найденные значения и получите молекулярную массу данного вещества , которая равна его молярной массе в г/моль. Найдите массу одной , поделив молярную массу вещества M на постоянную Авогадро NА=6,022∙10^23 1/моль, m0=M/ NА.
Пример Найдите массу одной молекулы воды. Молекула воды (Н2О) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Относительная атомная масса водорода равна 1, для двух атомов получим число 2, а атомная масса кислорода равна 16. Тогда молярная масса воды будет равна 2+16=18 г/моль. Определите массу одной молекулы : m0=18/(6,022^23)≈3∙10^(-23) г.
Массу молекулы можно рассчитать, если известно количество молекул в данном веществе. Для этого поделите общую массу вещества m на количество частиц N (m0=m/N). Например, если известно, что в 240 г вещества содержится 6∙10^24 молекул, то масса одной молекулы составит m0=240/(6∙10^24)=4∙10^(-23) г.
Определите массу одной молекулы вещества с достаточной точностью, узнав количество и нейтронов, которые входят в ее ядер атомов, из которых она состоит. Массой электронной оболочки и дефектом масс в данном случае следует пренебречь. Массу и берите равной 1,67∙10^(-24) г. Например, если известно, если молекула состоит из двух атомов кислорода, какова ее масса? Ядро атома кислорода имеет в своем составе 8 протонов и 8 нейтронов. Общее количество нуклонов 8+8=16. Тогда масса атома равна 16∙1,67∙10^(-24)=2,672∙10^(-23) г. Поскольку молекула состоит из двух атомов, то ее масса равна 2∙2,672∙10^(-23)=5,344∙10^(-23) г.
Можно вычислить массу любой молекулы, зная ее химическую формулу. Вычислим для примера относительную маолекулярную массу молекулы спирта.
Вам понадобится
- Таблица Менделеева
Инструкция
Рассмотрите химическую формулу молекулы. Определите, атомы каких химических элементов входят в ее состав.
Формула спирта C2H5OH. В состав молекулы спирта входят 2 атома , 6 атомов водорода и 1 атом кислорода.
Сложите атомные массы всех элементов, умножая их на атомов вещества в формуле.
Таким образом, M(спирта) = 2*12 + 6*1 + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 атомных массы. Мы нашли молекулярную массу молекулы спирта.
Если массу молекулы в граммах, а не в атомных единицах массы, следует вспомнить, что одна атомная единица массы - это масса 1\12 атома углерода. Численно 1 а.е.м. = 1,66*10^-27 кг.
Тогда масса молекулы спирта 46*1,66*10^-27 кг = 7,636*10^-26 кг.
Обратите внимание
В периодической таблице Менделеева химические элементы расположены в порядке возрастания атомной массы. Экспериментальные методы определения молекулярной массы разработаны в основном для растворов веществ и для газов. Также существует метод масспектрометрии. Большое прикладное значение понятие молекулярной массы имеет для полимеров. Полимеры - вещества, состоящие из повторяющихся групп атомов, но количество этих групп неодинаково, так что для полимеров существует понятие средней молекулярной массы. По средней величине молекулярной массы можно говорить о степени полимеризации вещества.
Молекулярная масса - важная величина для физиков и химиков. Зная молекулярную массу вещества, можно сразу определить плотность газа, узнать молярность вещества в растворе, определить состав и формулу вещества.
Источники:
- Молекулярная масса
- как рассчитать массу молекулы
Молекулярная масса представляет собой молекулярный вес, который также можно назвать значением массы молекулы. Выражается молекулярная масса в атомных единицах массы. Если разобрать значение молекулярной массы по частям, то получится, что сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы и представляет собой её молекулярную массу . Если говорить о единицах измерения массы, то преимущественно все измерения производятся в граммах.
Инструкция
Само молекулярной массы связано с понятием молекулы. Но нельзя сказать, что это условие можно применить только к таким , где молекула, например, водорода , находится отдельно. Для случаев, когда молекулы не отдельно от остальных, а в тесной взаимосвязи, все вышеперечисленные условия и определения также действительны.
Для начала, чтобы определить массу водорода , вам потребуется -либо , в состав которого водород и из которого его можно будет несложно выделить. Это может быть какой-либо спиртовой раствор или другая смесь, часть компонентов которой при определённых меняет своё состояние и легко освобождает раствор от своего присутствия. Найдите раствор, из которого можно и спарить необходимые или ненужные вещества при помощи нагревания. Это самый лёгкий способ. Теперь определитесь, будете вы испарять вещество, которое вам не нужно или же это будет водород, молекулярную массу которого вы и планируете измерять. Если испарится ненужное вещество - ничего страшного, чтобы оно было не токсично. в случае же испарения искомого вещества, вам необходимо оборудование, что все испарения сохранились в колбе.
После того, как вы отделили от состава всё ненужное, приступайте к измерениям. Для этого вам подойдёт число Авогадро. Именно с его помощью вы сможете вычислить относительную атомную и молекулярную массу водорода . Найдите все необходимые параметры водорода которые присутствуют в любой таблице, определите плотность полученного газа, так как она пригодится для одной из формул. Затем подставьте все полученные результаты и, если необходимо, поменяйте единицу измерения на , о чём уже говорилось выше.
Понятие молекулярной массы наиболее актуально для случаев, когда речь идёт о полимерах. Именно для них важнее вводить понятие средней молекулярной массы, ввиду неоднородности входящих в их состав молекул. Также по средней величине молекулярной массы можно судить о том, насколько высока степень полимеризации того или иного вещества.
Видео по теме
Масса вещества находится при помощи прибора, который называется весы. Можно также рассчитать массу тела, если известно количество вещества и его молярная масса или его плотность и объем. Количество чистого вещества можно находите по его массе или количеству молекул, которое в нем содержится.
Масса молекулы воды. Массы отдельных молекул и атомов очень малы. Например, в 1 г воды содержится 3,7 · 10 22 молекул. Следовательно, масса одной молекулы равна:
Массу такого же порядка имеют и молекулы других веществ, исключая огромные молекулы органических веществ.
Так как массы молекул очень малы, удобно использовать в расчетах не абсолютные значения масс, а относительные. По международному соглашению (как вам известно из курса химии VII класса) массы всех атомов и молекул сравнивают с массы атома углерода (так называемая углеродная шкала атомных масс). (Сравнение масс атомов молекул именно с массы атома углерода обусловлено тем, что в этом случае относительные массы атомов оказываются наиболее близкими к целым числам. Таким образом, в углеродной шкале атомных масс масса атома углерода принимается равной 12. Это примерно в 12 раз больше массы самого легкого атома – атома водорода.) Относительной молекулярной (или атомной) массой вещества M r называют отношение массы молекулы (или атома) m 0 данного вещества к массы атома углерода m 0C :
. (1.2)
В настоящее время относительные атомные массы всех химических элементов весьма точно измерены. Складывая относительные атомные массы атомов, входящих в состав молекулы, можно вычислить относительную молекулярную массу. Так, например, относительная молекулярная масса углекислого газа CO 2 приблизительно равна 44, так как относительная атомная масса углерода равна 12, а кислорода – примерно 16: 12 + 2 · 16 = 44.
Чем больше атомов или молекул в макроскопическом теле, тем, очевидно, больше вещества содержится в данном теле. Число молекул в макроскопических телах огромно. Поэтому удобно указывать не абсолютное число атомов или молекул, а относительное.
Принято сравнивать число молекул или атомов в данном теле с числом атомов в 0,012 кг углерода. Относительное число атомов или молекул в теле характеризуется особой физической величиной, называемой количеством вещества
. Количеством вещества ν называют отношение числа молекул N в данном теле к числу N A атомов в 0,012 кг углерода
:
(Если вещество состоит из отдельных атомов, не объединенных в молекулы, то здесь и в дальнейшем под числом молекул надо подразумевать число атомов.)
Зная количество вещества ν и число N A , мы тем самым знаем число N молекул в веществе. Количество вещества выражают в молях. Моль – количество вещества, содержащего столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. Если количество вещества равно, например, 2,5 моль, то это означает, что число молекул в теле в 2,5 раза превышает число атомов в 0,012 кг углерода.
Постоянная Авогадро. Число молекул или атомов N A в моле вещества называют постоянной Авогадро, в честь итальянского ученого XIX в. Согласно определению моля постоянная Авогадро одинакова для всех веществ. Она равна, в частности, числу атомов в моле углерода, т. е. в 0,012 кг углерода.
Для определения постоянной Авогадро надо найти массу одного атома углерода (или любого другого атома). Грубая оценка массы может быть произведена так, как это было сделано выше для массы молекулы воды (наиболее точные методы основаны на отклонении пучков ионов электромагнитным полем). Измерения дают для массы атома углерода: m 0C = 1,995 · 10 –26 кг. Отсюда постоянная Авогадро равна:
Наименование моль –1 указывает, что N A – число атомов любого вещества, взятого в количестве одного моля. Если количество вещества ν = 2,5 моль, то число молекул в теле N = νN A ≈ 1,5 · 10 24 .
Существует много других методов определения постоянной Авогадро, не связанных с нахождением масс атомов. Все они приводят к одним и тем же результатам. Постоянная Авогадро играет важнейшую роль во всей молекулярной физике и является универсальной постоянной.
Огромная величина постоянной Авогадро показывает, насколько малы микроскопические масштабы по сравнению с макроскопическими: тело, обладающее количеством вещества 1 моль, имеет привычные для нас макроскопические размеры.
Наряду с относительной молекулярной массой M r в физике и химии широко используется молярная масса M. Молярной массой называют массу вещества, взятого в количестве одного моля.
Согласно этому определению молярная масса равна произведению массы молекулы на постоянную Авогадро:
M = m 0 N A (1.5)
Молярную массу M можно выразить через относительную молекулярную массу. Подставляя в (1.5) выражения m0 из (1.2) и NA из (1.4), получим:
Так, например, молярная масса углекислого газа CO 2 равна 0,044 кг/моль, так как относительная молекулярная масса углекислого газа приближенно равна 44.
Масса m любого количества вещества ν, равная произведению массы одной молекулы m 0 на число молекул N, выражается через молярную массу и количество вещества так:
m = m 0 N = m 0 N A ν = Mν, (1.7)
поскольку N = νN A (формула 1.3).
Так, масса 3 моль углекислого газа равна: m = 3 моль × 0,044 кг/моль = 0,132 кг.
1. Перечислите основные положения молекулярно-кинетической теории. 2. Приведите известные вам доказательства существования молекул. 3. Что называют относительной молекулярной массой? 4. Чему равна относительная молекулярная масса воды? 5. Что называют количеством вещества? 6. Дайте определение единицы количества вещества – моля. 7. Чему равна постоянная Авогадро? 8. Дайте определение молярной массы. 9. Какова связь между массой тела и количеством вещества в нем? 10. Выразите число молекул в теле через его массу, молярную массу и постоянную Авогадро.
